基于健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)評(píng)估方法研究

BridgeBasedonHealthMonitoringSystemTypeofDegree AcademicThesis BridgeandTunnelEngineering LeiWanglongStudentNumber 09010204015SupervisorandProfessionalTitleProf.WangXiuyongPracticeMentorandProfessionalTitle SchoolofCivilEngineeringDate June5th,2012Universi HunanUniversityofScienceand 大跨徑的橋梁，尤其是規(guī)模巨大的已建斜拉橋是否健康運(yùn)營(yíng)直接關(guān)系著人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。通過(guò)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以及時(shí)獲得斜拉橋各個(gè)部位的重要參數(shù)信息，對(duì)獲得的監(jiān)測(cè)信息的分析和處理最終實(shí)現(xiàn)橋梁狀態(tài)的評(píng)估工作，但是數(shù)據(jù)預(yù)處理的有效與否，評(píng)估方法的合理性直接影響著準(zhǔn)確的橋梁狀態(tài)評(píng)估結(jié)果的獲得。因此，基于健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的斜拉橋狀態(tài)評(píng)估的方法研究工作有其重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文以已正常運(yùn)營(yíng)兩年多的九江大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為背景，對(duì)斜拉橋狀態(tài)評(píng)估的方法進(jìn)行了研究。主要研究的內(nèi)容如下：對(duì)九江大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)傳感器模塊、信息與數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)解析與控制模塊、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件模塊的研究，為對(duì)系統(tǒng)獲得信息進(jìn)一步分析奠定必備基礎(chǔ)。健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的預(yù)處理研究。研究了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)處理中粗大誤差剔除的方法以及噪聲數(shù)據(jù)的平滑方法，并對(duì)其中的數(shù)據(jù)跳躍法在處理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)存在的問(wèn)題進(jìn)行了修正。最終根據(jù)健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)選取合理的方法獲得了斜拉橋狀態(tài)評(píng)估所需的有效數(shù)據(jù)?；炷亮后w的狀態(tài)評(píng)估。對(duì)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲得的斜拉橋混凝土梁體的應(yīng)力與溫度的相關(guān)性進(jìn)行了分析，并通過(guò)兩者之間趨勢(shì)方程的獲得，在剔除溫度應(yīng)力趨勢(shì)的基礎(chǔ)上，選擇合理的安全閾值指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)斜拉橋梁體的簡(jiǎn)便有效的狀態(tài)評(píng)估。斜拉橋拉索的狀態(tài)評(píng)估。對(duì)斜拉橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的索力與溫度參數(shù)做了時(shí)間序列等分析，掌握了索力的一些基本狀態(tài)規(guī)律。通過(guò)建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)在不同溫度下的索力指標(biāo)的變化情況，為索力在不同的溫度環(huán)境下的狀態(tài)評(píng)估提供依據(jù)。并研究了對(duì)斜拉橋全年的索力狀態(tài)進(jìn)行整體評(píng)估的灰色關(guān)聯(lián)度分析方法。：斜拉橋；健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；數(shù)據(jù)預(yù)處理；狀態(tài)評(píng)估；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；灰色關(guān)Long-spanBridges,especiallythealreadybuilthugecable-stayedbridge,itshealthoperationisdirectlyrelatedtothepeople'slifeandpropertysecurity.Theimportantparametersinformationofeachplaceofcable-stayedbridgecanbegotintimethroughthehealthmonitoringsystem,Finallyrealizetheevaluationworkofthestateofthebridgeafteryzingandtreatingwiththemonitoringinformation,butthecollecteddatapretreatmentiseffectiveornot,therationalityoftheevaluationmethoddirectlyinfluencetheaccurateassessmentofthebridgestateresultsobtained.Therefore,conditionassessmentmethodsforcable-stayedbridgebasedonhealthmonitoringsystemhavetheimportantpracticalsignificance.Thispapertakethejiujiangbridgehealthmonitoringsystemforbackground,whichhasnormallyoperatedmorethantwoyears,researchonthemethodsofevaluatingtheconditionofcable-stayedbridge.ThemainresearchcontentsareasDescribedthejiujiangbridgehealthmonitoringsystemindetail.Laytheneededfoundationforthefurtherysis,throughtheresearchonthesystemsensormodule,thedataacquisitionanddatatransmissionmodule,thedataysisandcontrolmodule,andthemonitoringsystemsoftwaremodule.Researchonthehealthmonitoringdatapreprocessing.Thepretreatmentmethodsofbulkyerrorinmonitoringdataandthesmoothingmethodfornoisedataareresearched,andfixedtheproblemofdatajumpmethodinpreprocessingmonitoringdata.Finally,selectedthereasonablemethodfortheconditionassessmentofthecable-stayedbridgeaccordingtothecharacteristicsofhealthmonitoringdata,andthengotthevaliddata.Conditionassessmentforconcretebeams.Correlationbetweenthestressandthetemperaturewhichhavegotfromthecable-stayedbridgeconcretebeamsthroughthehealthmonitoringsystemareyzed,thengotthetrendequationbetweenthetwo,andchooseareasonablesafetythresholdvalueindexonthebasisofeliminatetemperaturestresstrend,finallyrealizetheconditionassessmentforcable-stayedbridgeconcretebeamsconvenientlyandeffectively.Conditionassessmentforstaycables. ysisonthetimeseriesofcableforceandthetemperaturewhichgetfromthecable-stayedbridgehealthmonitoring,learnedthebasicstatedisciplineofthecableforce.Throughtheestablishmentmodeloftheneuralnetwork,predictionthechangesoftheindexofcableforceindifferenttemperature,providesthebasisforthecableforceconditionassessmentindifferenttemperatureandresearchongreycorrelationdegreeysismethodwhichusedforthewholeyearcableforcestateevaluationofthecable-stayedbridge.:Cable-stayedBridge;StructuralHeathMonitoringSystem;DataPretreatment;ConditionAssessment;NeuralNetwork;GrayRelationCorrelation;Temperature;Stress;CableForce.目錄 II第一章 論............................................................................-1引言....................................................-1-橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介................................ 2橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀......................-2-橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究目的和意義................-4橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估研究簡(jiǎn)介................................ 5橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估方法及研究現(xiàn)狀....................-5橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估研究的目的和意義..................-9研究的背景和研究?jī)?nèi)容............................... 101.4.1研究背景介紹..................................-101.4.2研究?jī)?nèi)容......................................-11第二章橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析預(yù)處理...............................-13-2.1概述...................................................-2.2九江大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)介紹...............................-2.2.1工程概況..........................................-2.2.2監(jiān)測(cè)項(xiàng)目..........................................-2.2.3-2.3-2.3.1-2.3.2-2.4小結(jié)...................................................-第三章斜拉橋混凝土梁體的狀態(tài)評(píng)估-453.1概述...................................................-3.2應(yīng)力、溫度曲線的初步分析...............................-3.3-3.3.1相關(guān)性分析........................................--3.3.2趨勢(shì)方程--3.3.3--3.4--3.5--3.6--第四章斜拉橋拉索的狀態(tài)評(píng)估..................................................-57-4.1概述--4.2索力、溫度曲線分析--4.2.1--4.2.2--4.3神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型--4.3.1BP--4.3.2預(yù)測(cè)模型設(shè)計(jì)--4.3.3仿真分析--4.4拉索狀態(tài)評(píng)估--4.4.1--4.4.2--4.5小結(jié)--第五章總結(jié)與展望.......................................................................-75參考文獻(xiàn)..................................................................................-77- 謝......................................................................................... 附錄A...........................................................................................-82第一章 引言在世界各國(guó)交通業(yè)發(fā)展需求迅猛增長(zhǎng)的當(dāng)下，作為發(fā)揮重要作用的橋梁也得到了快速發(fā)展，橋梁的數(shù)量不斷增加，類型不斷豐富，結(jié)構(gòu)不斷輕型化，跨徑也不斷增大，尤其是大型跨海大橋如斜拉橋的應(yīng)用，更是對(duì)橋梁事業(yè)的一個(gè)新挑戰(zhàn)。始于二戰(zhàn)后的現(xiàn)代橋梁經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展取得了顯著的成績(jī)。目前國(guó)外的主要突破是在橋梁的跨徑方面，如始建于2006年的墨西拿海峽大橋，該橋主跨的跨徑已經(jīng)高達(dá)3300m，而世界上跨度最長(zhǎng)和最高的SheikhRashidbinSaeed拱橋?qū)⒂?012年末誕生于迪拜。在國(guó)內(nèi)，有5個(gè)跨海工程位于國(guó)道主干線同江至三亞段，除了這些還有瓊州海峽工程及杭州灣跨海工程和珠江日伶仃洋跨海工程等。其他的大中型工程更是不計(jì)其數(shù)，如青島至黃島、還有長(zhǎng)江、珠江、等眾多的橋梁工程[1-2]。大量橋梁的涌現(xiàn)給現(xiàn)活帶來(lái)了前所未有的便捷，然而橋梁的安全隱患問(wèn)題卻一直存在。自橋梁被廣泛應(yīng)用以來(lái)，在橋梁的運(yùn)營(yíng)以及施工的過(guò)程中，由于造成的坍塌事件時(shí)有發(fā)生。如位于圣勞倫斯河之上的QuebecBridge本該是著名設(shè)計(jì)師ThreCooper的一個(gè)真正有價(jià)值的不朽杰作，作為當(dāng)時(shí)世界上最長(zhǎng)跨度的鋼懸臂橋，然而就在這座橋即將竣工之際，由于大橋桿件發(fā)生失穩(wěn)，突然倒塌，19000噸鋼材和86名建橋工人落入水中，只有11人生還；位于華盛頓州的塔科馬海峽大橋，1940117日，大橋在遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)風(fēng)速的19m/s（相當(dāng)于八級(jí)大風(fēng)）風(fēng)速下發(fā)生風(fēng)致振動(dòng)，橋面經(jīng)歷了70min振幅不斷增大的稱扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，最終導(dǎo)致橋面折斷墜落到峽谷中，在全球引起不小的轟動(dòng)；I-35W密西西比河大橋于當(dāng)?shù)貢r(shí)間2007年8月1日，正值交通時(shí)段，該突然坍塌，造成至少8人，79人受傷，據(jù)估計(jì)事故發(fā)生時(shí)橋上有50-100輛機(jī)動(dòng)車輛，是自1983年以來(lái)最嚴(yán)重的非或外力因素所造成的橋梁崩塌事件；位于佛山的九江斜拉橋運(yùn)營(yíng)至2007年6月15日，發(fā)生了中外的“九江大橋事件”，事故由撞擊橋墩的船引起，直接導(dǎo)致200米的橋面坍塌和9人的悲慘局面；原定拆除的株洲市路高架橋于2009年5月17日下午發(fā)生突然坍塌事故，由于是市區(qū)的交通要道，造成嚴(yán)重的包括25人員的傷亡，并直接損毀現(xiàn)場(chǎng)24輛車；2010724日，潭頭鎮(zhèn)湯營(yíng)村伊河湯營(yíng)大橋的整體垮塌，使得大量過(guò)橋人員直接落入水中；2011年7月日凌晨，一輛載重超過(guò)160噸的嚴(yán)重超載6軸貨車通過(guò)懷柔寶山寺白河橋當(dāng)駛過(guò)該橋的第一孔橋洞時(shí)，該橋發(fā)生坍塌，隨后4孔橋洞全部坍塌，好在并無(wú)人員傷亡。橋梁的垮塌不僅使國(guó)家損失巨大的經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)，而且給人民的生命構(gòu)成了，更給遇難者親屬留下了難以磨滅的痛苦回憶。這不得不引起社會(huì)對(duì)在役橋梁安全問(wèn)題的重視，如橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建立，以及橋梁安全狀態(tài)的進(jìn)一步準(zhǔn)確評(píng)估顯得尤為重要。橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本包括監(jiān)測(cè)、診斷、評(píng)估三個(gè)過(guò)程，具體是指：首先通過(guò)安裝在橋梁上的系統(tǒng)如各類傳感器和測(cè)試儀器，對(duì)所關(guān)注的橋梁狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)，通過(guò)無(wú)線或者有線的通信系統(tǒng)將到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)较到y(tǒng)的控制中心，其次控制中心對(duì)獲得的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并利用監(jiān)測(cè)信息反演結(jié)構(gòu)的狀態(tài)等方法得到橋梁結(jié)構(gòu)的具體狀況，如是否受損、損傷的部位、損傷的程度等，最后對(duì)橋梁的整體或者局部的健康狀況做出評(píng)價(jià)，并對(duì)橋梁的保養(yǎng)以及決策做出指導(dǎo)和提供科學(xué)依據(jù)。監(jiān)監(jiān)診評(píng)結(jié)構(gòu)可靠性分橋梁維修與養(yǎng)評(píng)疲勞損傷和剩橋梁強(qiáng)度儲(chǔ)備模型修橋梁結(jié)結(jié)構(gòu)損系統(tǒng)辨?zhèn)鞲衅骱蜏y(cè)試儀器外荷載激勵(lì)信號(hào)處測(cè)橋梁結(jié)圖1.1橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)圖Fig.1.1Diagraphofbridgestructurehealth由于橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用的是無(wú)損的傳感技術(shù)，所以不會(huì)對(duì)橋梁的結(jié)構(gòu)造成很大的，同時(shí)可以長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，因此，該系統(tǒng)作為一個(gè)具有很大發(fā)展?jié)摿Φ念I(lǐng)域，近年來(lái)獲得了極大的關(guān)注。同時(shí)由于可靠度理論和各類仿真技術(shù)的不斷完善，還有新型傳感技術(shù)的不斷發(fā)展，以及無(wú)線通訊和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷突破，各個(gè)國(guó)家在橋梁健康監(jiān)測(cè)方面都取得了進(jìn)一步的發(fā)展。國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)橋梁健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究始于二十世紀(jì)五十年代，如于1971年制定了國(guó)家橋梁檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)（NBIS）等，但由于當(dāng)時(shí)的測(cè)試技術(shù)還不是很多發(fā)達(dá)，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)施持續(xù)、實(shí)時(shí)的健康監(jiān)測(cè)是不可能實(shí)現(xiàn)的，直到八十年代中后期，隨著對(duì)橋梁安全性和耐久性的突破性的新認(rèn)識(shí)，以及新型的檢測(cè)和監(jiān)測(cè)技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，使得橋梁健康監(jiān)測(cè)技術(shù)有了全新的發(fā)展。橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)被許多國(guó)家安裝在一些大型橋梁如跨徑比較大的斜拉橋、懸索橋和造型獨(dú)特新穎的非傳統(tǒng)性橋梁上。例如:丹麥在Faroe跨海斜拉橋（總長(zhǎng)1726m）上安裝了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，旨在檢查關(guān)鍵的設(shè)計(jì)參數(shù)，監(jiān)測(cè)施工階段以及獲取開(kāi)發(fā)優(yōu)化的維護(hù)系統(tǒng)所必需的橋梁健康記錄，同時(shí)為了縮小數(shù)據(jù)庫(kù)的存量，他們?cè)贕reatBeltEast懸索橋（主跨1624m）上已開(kāi)始嘗試把正常狀態(tài)下的信息與狀態(tài)下的信息分別整理分析的技術(shù)；在SunshineSkyway斜拉橋（主跨440m）上安裝了500多個(gè)傳感器，對(duì)該橋的溫度、應(yīng)變、位移等參數(shù)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，以實(shí)現(xiàn)施工階段的任務(wù)以及建成運(yùn)營(yíng)以后橋梁的健康狀況的掌握；英國(guó)于1989年對(duì)Foyle大橋（長(zhǎng)522m）進(jìn)行了，為了獲得橋梁在車輛與風(fēng)載等外界條件的作用下主梁的撓度、振動(dòng)以及橋梁結(jié)構(gòu)各個(gè)部位的環(huán)境風(fēng)和結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)信息，在該橋上布置了早期相對(duì)比較完整的傳感器系統(tǒng)。浙江大學(xué)的李毅對(duì)國(guó)外安裝了健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的橋梁數(shù)目進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)在最近20年內(nèi)，安裝了該系統(tǒng)的橋梁超過(guò)61座，其中斜拉橋和懸索橋有26座[3]。其他安裝橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的還有挪威的Skarnsunder、的明石海峽大橋、的Confederation橋、英國(guó)的Flintshire橋等[4-5。二十世紀(jì)九十年代以后，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如雨后春筍般涌現(xiàn)，其發(fā)展也逐漸擴(kuò)大到世界范圍。我國(guó)正是從這個(gè)時(shí)間開(kāi)始對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行研究，并在一些大型橋梁上安裝了不同規(guī)模的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，從開(kāi)始發(fā)展至今，國(guó)內(nèi)多達(dá)60多座橋梁己安裝或正在安裝橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[6-22]。其中的青馬橋[23]為了監(jiān)測(cè)橋梁的外部荷載以及其他重要參數(shù)信息，以避免橋梁的突然坍塌所造成的重大損失，在該橋上安裝了800多個(gè)各種類型的傳感器;位于省佛山市的九江大橋通過(guò)安裝索力計(jì)、應(yīng)變計(jì)以及溫、濕度計(jì)等設(shè)備以實(shí)現(xiàn)對(duì)斜拉橋狀態(tài)的評(píng)估。同時(shí)安裝了類似的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的還有上海徐浦大橋、 長(zhǎng)江大橋等[24]。部分其他安裝了該系統(tǒng)的橋梁如表1.1所示。1.1國(guó)內(nèi)部分橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Table1.1PartofBridgesstructuralhealthmonitoringsystemin橋橋最大跨度（傳感器數(shù)量安裝時(shí)汀九大橋三塔斜拉橋荷麻溪特大橋部分斜拉橋珠江黃埔大橋北汊橋懸索橋東海大橋主航道為斜拉橋茅草街大橋混凝土拱橋大佛寺長(zhǎng)江大橋雙塔雙索面斜拉長(zhǎng)雙塔鋼箱梁斜拉蕪湖長(zhǎng)江大橋鋼桁架斜拉橋汲水門大橋雙塔雙索面斜拉濟(jì)南大雙塔雙索面斜拉鄭州大上承式鋼板梁橋臺(tái)中橋單塔斜拉橋湛江海灣大橋雙塔斜拉橋?yàn)o州泰安長(zhǎng)江大單塔混凝土斜拉重慶渝澳輕軌橋連續(xù)鋼構(gòu)橋橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究目的和意義隨著關(guān)系著國(guó)家經(jīng)濟(jì)命脈的橋梁數(shù)目的不斷增多；各種自然如、泥石流等的不斷發(fā)生；橋梁養(yǎng)護(hù)維修科學(xué)依據(jù)的不健全和加固方案的不合理性及滯后性；傳統(tǒng)人工檢測(cè)方法的低效性，且有的檢測(cè)方法還會(huì)對(duì)橋梁的結(jié)構(gòu)會(huì)造成一定的破壞，以及交通量的劇增已經(jīng)嚴(yán)重超過(guò)了橋梁設(shè)計(jì)時(shí)的承載能力等。在這種現(xiàn)狀下，使得大量在役橋梁以及在建橋梁的安全狀況不得不引起人們的高度關(guān)注。為了保障在役橋梁以及在建橋梁結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性和完整性，確保國(guó)家財(cái)產(chǎn)和人民的生命不被，可知橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建立勢(shì)在必行。通過(guò)該系統(tǒng)對(duì)橋梁的各種荷載進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如車輛荷載、風(fēng)荷載、溫度荷載、濕度等荷載；還有橋梁的響應(yīng)的監(jiān)測(cè)，包括全局和局部的性態(tài)變量響應(yīng)，其中全局的性態(tài)變量響應(yīng)有靜態(tài)位移、動(dòng)態(tài)位移、加速度、索力等，局部的性態(tài)變量響應(yīng)有應(yīng)變、索力等。幾何的監(jiān)測(cè)也是必不可少的，如橋梁靜動(dòng)態(tài)位置、沉降、傾斜、線性變化、標(biāo)高等；再加上對(duì)支座、振動(dòng)控制設(shè)施等一些輔助設(shè)施的監(jiān)測(cè)[25-26]。由此得橋梁的健康狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)橋梁功能的和隱含的安全問(wèn)題，防患于未然，防微杜漸，并為在役橋梁的養(yǎng)護(hù)維修提供科學(xué)的信息依據(jù)，以提高其承載能力和運(yùn)營(yíng)能力，也可減少各種的發(fā)生，使各類損失最小化。橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建立除了這些實(shí)時(shí)與評(píng)估的目的外還有更深遠(yuǎn)的意義。由于目前大部分橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)都基于各種經(jīng)驗(yàn)的假設(shè)條件，這和實(shí)際條件是有一定差距的，于是難免出現(xiàn)結(jié)構(gòu)的不合理，使得橋梁在運(yùn)營(yíng)及在建過(guò)程中出現(xiàn)很多不利于結(jié)構(gòu)的問(wèn)題，而橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建立，可以實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)橋梁各個(gè)階段的靜力和動(dòng)力參數(shù)變化，通過(guò)這些參數(shù)信息可以對(duì)由經(jīng)驗(yàn)假設(shè)條件得出的理論計(jì)算模型的合理性與準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，從而指導(dǎo)橋梁設(shè)計(jì)理念不斷有新的突破。橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的意義還遠(yuǎn)不止這些，另一個(gè)不容忽視的意義就是它對(duì)現(xiàn)代橋梁的設(shè)計(jì)方法與相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的不斷完善有一定的促使作用。由于地質(zhì)環(huán)境的制約、業(yè)的發(fā)展需求等因素必然導(dǎo)致造型和結(jié)構(gòu)比較新穎的新型橋梁的出現(xiàn)，它們可能是人類從來(lái)沒(méi)有見(jiàn)過(guò)的新課題，這就需要更加合理的規(guī)范和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則來(lái)滿足它，而此時(shí)橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就發(fā)揮到了它獨(dú)特的作用，實(shí)時(shí)、持續(xù)的橋梁的各個(gè)階段的狀態(tài)，為新理論、新方法提供可靠的實(shí)時(shí)信息，從而使設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)不斷完善。橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估研究簡(jiǎn)介橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估方法及研究現(xiàn)狀狀態(tài)評(píng)估就是對(duì)某種事物的狀態(tài)做出評(píng)價(jià)和對(duì)其未來(lái)發(fā)展做出估計(jì)，橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估也不例外，它是通過(guò)各種可行的監(jiān)測(cè)和檢查，獲得可以反映橋梁內(nèi)部狀態(tài)的參數(shù)信息，在此基礎(chǔ)上通過(guò)相關(guān)理論對(duì)獲得的信息進(jìn)行綜合分析，最終對(duì)橋梁的構(gòu)件或者缺陷、服務(wù)水做出評(píng)估。通過(guò)橋梁目前的工作狀態(tài)和適當(dāng)標(biāo)度之間的對(duì)比，實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)橋梁結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)是橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估理論[27-31]的主要目的。自二十世紀(jì)八十年代以來(lái)，伴隨著結(jié)構(gòu)可靠度理論的完善，橋梁結(jié)構(gòu)的狀態(tài)評(píng)估理論和方法也不斷發(fā)展，人們?cè)跇蛄航Y(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)評(píng)估以及耐久性評(píng)估方面做了大量的研究工作，由此產(chǎn)生的橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的主要評(píng)估方法有一次二階矩方法[32]、方法[33-34]、常規(guī)綜合評(píng)價(jià)法[35]、層次分析法[36-37]、模糊綜合評(píng)估法3841、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[42-46、灰色關(guān)聯(lián)度評(píng)估法[47]、遺傳算法[48]、特爾斐專家評(píng)估法49等。（1）一次二階矩評(píng)估方法是可靠度分析方法之一，它是通過(guò)直接計(jì)算結(jié)構(gòu)的可靠指標(biāo)來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)的狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估的，其基礎(chǔ)是結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)服從正態(tài)分布，但是在實(shí)際的工程中，即使經(jīng)過(guò)映射變換等處理的結(jié)構(gòu)功能函數(shù)也具有非線性，這就使得一次二階矩評(píng)估方法具有一定的局限性，于是在此基礎(chǔ)上提出了基于拉斯?jié)u進(jìn)原理的二次二階矩評(píng)估方法。（2）法也稱為結(jié)構(gòu)可靠度分析的數(shù)值模擬方法，該狀態(tài)評(píng)估方法的優(yōu)勢(shì)在于，它具有直接解決問(wèn)題的能力，而不需要對(duì)待計(jì)算的狀態(tài)函數(shù)和隨量進(jìn)行預(yù)先處理，如線性化及當(dāng)量正態(tài)化等。很多學(xué)者對(duì)該評(píng)估方法做了大量的研究，通過(guò)分析，浙江大學(xué)的學(xué)者提出了兩種實(shí)用的抽樣方法，包括使結(jié)構(gòu)失效概率估計(jì)值方差最小的重要抽樣方法和得到廣泛使用并發(fā)揮更大作用的對(duì)偶重要抽樣方法。常規(guī)綜合評(píng)價(jià)法常規(guī)綜合評(píng)價(jià)法作為一種經(jīng)典并被廣泛使用的狀態(tài)評(píng)估方法。該方法包括加權(quán)算術(shù)平均評(píng)估方法、幾何平均以及被大量采用的兩者的混合評(píng)估方法。該方法簡(jiǎn)單易懂，對(duì)于容易量化的參數(shù)具有一定的應(yīng)用價(jià)值，因?yàn)榇蟛糠值谋O(jiān)測(cè)參數(shù)都是可以量化的，故其方法也有一定的生命力，但是對(duì)于難以量化的參數(shù)，如橋墩的侵蝕程度，橋梁護(hù)欄的破損狀況就很難量化，顯然采用該方法得出的結(jié)果是很不可靠的。層次分析法層次分析法自從上世紀(jì)七十年代被運(yùn)籌學(xué)家提出后得到了很好的發(fā)展。作為多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)定量化的層次分析法，首先要明確所研究的具體問(wèn)題內(nèi)容，其次對(duì)影響研究對(duì)象的各個(gè)因素按照性質(zhì)進(jìn)行劃分，并根據(jù)研究的重點(diǎn)選定所需參對(duì)判斷矩陣的一致性進(jìn)行檢測(cè)并對(duì)其修正。該方法的顯著特點(diǎn)是將定性因素定量化，由于在一定程度上因素的影響被減少了，使得評(píng)價(jià)的結(jié)果更加客觀，能真正反映橋梁結(jié)構(gòu)的真實(shí)狀態(tài)，而體現(xiàn)出其科學(xué)化的特質(zhì)。隨著該方法的發(fā)展，出現(xiàn)了根據(jù)結(jié)構(gòu)各個(gè)部位的重要程度選擇合理的權(quán)重，進(jìn)行綜合評(píng)估的措施，如對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)選用不同的權(quán)重系數(shù)，最后對(duì)分層的各個(gè)因素按照權(quán)重進(jìn)行綜合評(píng)估打分，完善了常權(quán)層次分析法的缺陷。由此得到的橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估結(jié)果更加合理。模糊綜合評(píng)估法由于系統(tǒng)的狀態(tài)有時(shí)不是很明確，該狀態(tài)既可以劃分到這一類也可以劃分到另一類中去，沒(méi)有明顯的界限對(duì)它們進(jìn)行分類，這就使得一個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)沒(méi)有辦法進(jìn)行評(píng)估，直到1965年，模糊集合的數(shù)學(xué)概念被的L.A.Zadeh教授首次提出，才解決了系統(tǒng)狀態(tài)的模糊性與算法的確定性這一，通過(guò)模糊聚類分析，同時(shí)引入隸屬度這一數(shù)學(xué)概念，建立病害與成因之間的模糊關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜事物的模糊綜合評(píng)估。同時(shí)為了簡(jiǎn)化計(jì)算，提出了模糊變量當(dāng)量隨機(jī)化的方法。但該方法也存在如何對(duì)模糊運(yùn)算法則進(jìn)行選擇以及如何確定隸屬度等一些問(wèn)題，有待進(jìn)一步的研究。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一類模擬生物神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，具有較強(qiáng)的模式識(shí)別能力的新技術(shù)，它的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在四個(gè)方面：首先是其具有網(wǎng)絡(luò)的映射功能，能夠充分的近任意復(fù)雜的非線性系統(tǒng)；其次是具有學(xué)習(xí)、聯(lián)想功能，能夠?qū)W習(xí)和適應(yīng)不確定系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，再次由于大量神經(jīng)元之間的連接，少量單元或者連接的損壞也不會(huì)影響系統(tǒng)的整體功能，具有很強(qiáng)的魯棒性，還有其具有分布式并行信息的處理功能等。這些突出的優(yōu)點(diǎn)使人們可以對(duì)高度非線性的橋梁狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練學(xué)習(xí)，然后利用網(wǎng)絡(luò)的映射推理功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁健康狀態(tài)的了解。因此神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法非常適合對(duì)具有大量噪聲和測(cè)量誤差的結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康檢測(cè)與狀態(tài)的評(píng)估。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用以及相關(guān)理論的不斷完善，該方法具有一定的應(yīng)用前景?；疑P(guān)聯(lián)度評(píng)估法對(duì)客觀事物認(rèn)識(shí)的不完全性和不確定性，灰色理論稱其為灰色系統(tǒng)。關(guān)聯(lián)度則被定義為系統(tǒng)因素隨時(shí)間變化的關(guān)聯(lián)性大小的量度，從而通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)度來(lái)判斷系統(tǒng)因間關(guān)聯(lián)程度的高低?；疑到y(tǒng)關(guān)聯(lián)分析則主要是通過(guò)無(wú)量綱化處理的系統(tǒng)特征數(shù)組和由系統(tǒng)因素組成的數(shù)組之間相關(guān)度的求解，最后排關(guān)聯(lián)序以確定兩序列之間的優(yōu)劣關(guān)系。由于采取的是量化的度量方式，所以非常適合如橋梁各相關(guān)參數(shù)的動(dòng)態(tài)歷程分析。實(shí)踐證明采用灰色理論對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合狀態(tài)評(píng)估是可行的，尤其適合多目標(biāo)多屬性的項(xiàng)目的評(píng)估，由于其能很好的反映客觀事物的真實(shí)情況，遺傳算法基于自然遺傳、優(yōu)勝劣汰、自然選擇思想的遺傳算法最早由密執(zhí)安大學(xué)的JohnHolland教授于二十世紀(jì)中后期提出。該方法根據(jù)適者生存原則，通過(guò)編碼、進(jìn)化、選擇、交叉和變異等五步的基本操作，不斷提高群體中最優(yōu)質(zhì)的適應(yīng)度，也使平均適應(yīng)度不斷提高，因此可以較好地適應(yīng)可靠性計(jì)算和分析的要求。同時(shí)不連續(xù)、不可微的目標(biāo)函數(shù)也使用于遺傳算法，故可以很好的解決傳統(tǒng)搜索方法難于解決的復(fù)雜問(wèn)題和普遍存在的非線性問(wèn)題。作為一種數(shù)據(jù)處理方法，遺傳算法在橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估中通過(guò)建立映射關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)在役橋梁的狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。由遺傳算法可以獲得誤差相對(duì)較小的可靠度指標(biāo)，但是，該方法計(jì)算收斂速度較慢也表現(xiàn)的比較突出。特爾斐專家評(píng)估法特爾斐專家評(píng)估法是通過(guò)的方式向橋梁專家投遞有關(guān)橋梁?jiǎn)栴}的信函，然后將各個(gè)專家所反饋的意見(jiàn)和建議集中起來(lái)，由統(tǒng)一的題目組進(jìn)行整理分析，將得出的結(jié)論作為參考信息再次投函給橋梁專家，再次回收反饋信息整理分析，如此反復(fù)，最終可獲得具有一定說(shuō)服力的評(píng)估結(jié)果。這種函詢的方式有很多優(yōu)勢(shì)，首先由于其采取的是的方式，這就克服了橋梁專家的心理影響系數(shù)等因素的影響，其次也可以集大量橋梁專家的集體智慧于一體，可以更合理的對(duì)橋梁狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，得出的結(jié)論也相對(duì)比較滿意，最后還可以節(jié)約集體開(kāi)會(huì)討論等開(kāi)支。但是特爾斐專家評(píng)估法也存在研究周期過(guò)長(zhǎng)的缺點(diǎn)。此外還有外觀評(píng)估方法、以設(shè)計(jì)規(guī)范為基礎(chǔ)的驗(yàn)算評(píng)估方法以及一些新型的評(píng)估方法也在不斷的發(fā)展中。國(guó)內(nèi)外在橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估方面做了大量的具體研究工作。在國(guó)外，Melhem和SenakaAturaliya[50]提出了模糊向量法的橋梁綜合評(píng)估方法，該方法的程序采用專家系統(tǒng)工具CLIPS(LanguageIntegrateedProductionSystem)建立。其突出特點(diǎn)就是部分不精確的檢測(cè)信息對(duì)結(jié)果的影響不是很明顯，并可以保證穩(wěn)定的評(píng)價(jià)結(jié)果。Kawamura1等對(duì)橋梁狀態(tài)等級(jí)評(píng)估專家系統(tǒng)進(jìn)行了研究，該系統(tǒng)的基本思路是基于模糊規(guī)則對(duì)診斷過(guò)程進(jìn)行，先將結(jié)構(gòu)按層次劃分，確定各級(jí)指標(biāo)的影響因素，從而確定輸入的條目，再根據(jù)模糊規(guī)則和隸屬函數(shù)定出各因素的隸屬度，計(jì)算每一條規(guī)則對(duì)應(yīng)的適應(yīng)度，最后根據(jù)健康分值來(lái)評(píng)判結(jié)構(gòu)的健康等級(jí)，該方法可以避免神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的“暗箱操作”。DeBrito52提出了一種基于可靠度理論的全新維修加固評(píng)估方法，結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)是通過(guò)采用FORM（First-Or-derReliabilityMethods)方法得到最小可靠度指標(biāo)，并將該指標(biāo)和失效概率進(jìn)行比較來(lái)最終確定評(píng)估結(jié)果。Stewart53等基于可靠度理論建立了概率評(píng)估模型，該模型可以避免荷載試驗(yàn)可能發(fā)生的失效，減少一部分的經(jīng)濟(jì)損失，相對(duì)有效的對(duì)老化橋梁的可靠度進(jìn)行評(píng)估。IchizouMikam4等建立了具有學(xué)習(xí)功能的鋼橋裂縫修復(fù)的專家系統(tǒng)，該模型的誕生使得基于知識(shí)的網(wǎng)絡(luò)模型得以不斷成長(zhǎng)優(yōu)化。國(guó)外很多學(xué)者研究了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法在結(jié)構(gòu)動(dòng)力模型修正中的應(yīng)用原理和步驟，詳細(xì)分析了該方法的優(yōu)先和存在的問(wèn)題。HitoshiFuruta55等研究和發(fā)展了橋梁損傷模糊評(píng)估專家系統(tǒng)，該狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)很好的集合了遺傳算法尋優(yōu)的特點(diǎn)，以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)無(wú)需數(shù)學(xué)模型就可以解決相關(guān)問(wèn)題的優(yōu)勢(shì)。在國(guó)內(nèi)，早期通過(guò)綜合評(píng)估方法對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀況做出評(píng)估的系統(tǒng)主要有兩個(gè)，一個(gè)是市橋梁管理系統(tǒng)，另外一個(gè)是公路橋梁管理系統(tǒng)，它們分別由孫立軍[56]和李昌鑄[57]等研究開(kāi)發(fā)。王永平[58]等提出損傷度的橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估理念，并采用模糊數(shù)學(xué)原理，建立了橋梁實(shí)用性能的模糊綜合評(píng)估體系，該系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)通過(guò)對(duì)眾多專家的咨詢和對(duì)專家經(jīng)驗(yàn)的整理分析獲得，而且系統(tǒng)也有一定的機(jī)器學(xué)習(xí)的功能。[9]在開(kāi)發(fā)結(jié)構(gòu)破損評(píng)估專家系統(tǒng)時(shí)建議創(chuàng)立受損構(gòu)件參數(shù)樣本庫(kù)的想法。雙[0]建立了多層次評(píng)估模型，該模型對(duì)鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁通過(guò)各個(gè)不同的分層進(jìn)行適用性、耐久性以及安全性等多角度評(píng)估，該方法屬于層次分析法的一種。淡丹輝、孫利民[1]等對(duì)檢測(cè)機(jī)制的提出，標(biāo)志著一種新的可行的橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估方法的產(chǎn)生，這種基于Mamdani型模糊推理的新技術(shù)具有很大的發(fā)展前景。在大型橋梁的評(píng)估當(dāng)中，我們希望橋梁結(jié)構(gòu)的重大構(gòu)件如果出現(xiàn)問(wèn)題，能夠在綜合的評(píng)估中被重點(diǎn)的突出出來(lái)，以便于抓住橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估的主要，[62]建立的橋梁結(jié)構(gòu)層次分析模型就很好的解決了這個(gè)問(wèn)題，郭瑞63對(duì)其方法進(jìn)行了發(fā)展，使其更加完善，該方法也屬于層次分析法。張永清64等也在層次分析法方面的橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估做出了分析研究，并應(yīng)用于橋梁的管理決策。[5]建立了用百分制表示的BCI(BridgeConditionIndex)計(jì)算模型，該模型中構(gòu)件損傷狀況參數(shù)是通過(guò)和客觀方法確定的，通過(guò)已確定的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。劉沐宇[66]等采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法建立拱橋安全性評(píng)估方法，該方法綜合了《公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》以及各個(gè)構(gòu)件的參數(shù)信息指標(biāo)來(lái)進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估。胡雄7等通過(guò)對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化提出對(duì)拉索橋梁結(jié)構(gòu)的安全性與耐久性進(jìn)行評(píng)估的專家評(píng)估系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)數(shù)值型變量和語(yǔ)言型變量來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)的局部和整體的狀況進(jìn)行及損傷等方面的評(píng)估，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代橋梁的管理模式。橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估研究的目的和意義以橋梁為代表的現(xiàn)代交通業(yè)的不斷發(fā)展，使得橋梁的數(shù)目迅猛的增加，以及大跨度，輕柔化，復(fù)雜化的新型橋梁也在不斷涌現(xiàn)，而這些橋梁工程的投入幾乎都是千萬(wàn)上億的費(fèi)用，耗費(fèi)的人力和物力也是非常大的，如果破壞將會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。同時(shí)很多在役的橋梁，隨著服役時(shí)間已經(jīng)開(kāi)始老化，再加上由于周圍溫度、濕度等多方面的環(huán)境因素等長(zhǎng)期的動(dòng)態(tài)荷載必然對(duì)橋梁的結(jié)構(gòu)造成一定的。這些潛在的橋梁安全隱患問(wèn)題不得不引起人們的關(guān)注，于是橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)評(píng)估顯得尤為必要。通過(guò)橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)的建立以及相關(guān)理論的研究，獲得全面實(shí)用的橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估方法。同時(shí)借助橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)橋梁的各部位、各構(gòu)件的參數(shù)信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并選用合理的狀態(tài)評(píng)估方法，全面準(zhǔn)確的了解橋梁結(jié)構(gòu)是否發(fā)生損傷、損傷發(fā)生的位置、損傷的程度等，最終對(duì)橋梁的整體狀態(tài)做出評(píng)估，對(duì)橋梁的做出相應(yīng)的預(yù)測(cè)。利用橋梁結(jié)構(gòu)的狀態(tài)評(píng)估結(jié)果可以及時(shí)的發(fā)現(xiàn)橋梁的病害，從而適時(shí)的采取有效的維修補(bǔ)救方案，使維修的費(fèi)用得到大大減少，也可減少不必要的的發(fā)生，特別是主要的交通要道的橋梁坍塌的避免，使各項(xiàng)的損失縮減到最少，也在一定程度上使得橋梁的安全性、耐久性、適用性得到保障?？傊瑯蛄航Y(jié)構(gòu)的狀態(tài)評(píng)估的研究是十分必要和緊迫的，它對(duì)社會(huì)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)的意義。研究的背景和研究?jī)?nèi)容論文研究背景介紹本文以位于佛山的九江大橋的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為背景，對(duì)斜拉橋狀態(tài)評(píng)估的方法進(jìn)行了研究。九江大橋是一座橫跨中國(guó)西江的橋梁，全長(zhǎng)1675.2m，為塔、梁、墩固結(jié)的獨(dú)塔混凝土斜拉橋。為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)該橋營(yíng)運(yùn)狀態(tài)，2009年初為該橋安裝了健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)至今已正常運(yùn)行兩年多，并獲得了大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。九江大橋主橋示意圖如圖1.2所示。圖1.2九江大橋主橋圖Fig.1.2Mainbridgeof通過(guò)對(duì)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的大量參數(shù)信息的分析研究，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁的狀態(tài)評(píng)估，然而中難免有出現(xiàn)異常的粗大誤差數(shù)據(jù)以及由于外界因素干擾而產(chǎn)生的噪聲數(shù)據(jù)等。如果把這些數(shù)據(jù)也錄入到數(shù)據(jù)庫(kù)中，首先對(duì)橋梁性能的評(píng)價(jià)毫無(wú)意義，并可能依此得出錯(cuò)誤的評(píng)估結(jié)果，其次可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)庫(kù)無(wú)法發(fā)揮其處理海量數(shù)據(jù)以提高效率的優(yōu)越性。然而目前大部分橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建立以及各種橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估方法的研究都集中在宏觀和全局的角度，從而忽視了直接關(guān)系評(píng)估結(jié)果準(zhǔn)確性的有效基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲得和分析處理，同時(shí)由于技術(shù)的原因，可供查閱的相對(duì)成橋梁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析處理的介紹也是相當(dāng)少的，本文將展開(kāi)對(duì)該問(wèn)題的討論。梁體的應(yīng)力和索力是斜拉橋結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估的重要參數(shù)，其值的變化直接關(guān)系著斜拉橋的健康及運(yùn)營(yíng)狀況，同時(shí)由溫度所引起的梁體應(yīng)力以及索力的變化也是不容忽視的內(nèi)容，很多學(xué)者在這些方面做過(guò)相應(yīng)研究。呂婷、劉靜[68]等對(duì)混凝土橋的溫度應(yīng)力及梯度選擇進(jìn)行了研究；方志、汪劍[69]等就大跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋日照溫度效應(yīng)進(jìn)行了分析；[70]等對(duì)混凝土連續(xù)梁溫度差效應(yīng)做出了相應(yīng)分析；君、賀栓海[71]等也就大跨徑橋梁施工控制溫度應(yīng)力方面也進(jìn)行了深入探討。這些學(xué)者的研究為橋梁的施工及安全運(yùn)營(yíng)提供了很好的理論基礎(chǔ)及實(shí)用的技術(shù)支持，但是很少對(duì)應(yīng)力及與其相對(duì)應(yīng)的溫度的相關(guān)性以及索力與溫度之間的關(guān)系做出分析。本文根據(jù)九江大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲得的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)主梁應(yīng)力及其相應(yīng)溫度及索力與溫度分別進(jìn)行相關(guān)分析，并在此基礎(chǔ)上對(duì)斜拉橋狀態(tài)評(píng)估方法進(jìn)行了研究。論文研究?jī)?nèi)容本文以已經(jīng)正常運(yùn)行兩年多的九江大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為背景，通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲得的溫度、應(yīng)力、索力等數(shù)據(jù)的分析對(duì)斜拉橋狀態(tài)評(píng)估方法展開(kāi)研究。研究的主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：九江大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的詳細(xì)介紹。橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析預(yù)處理。本文介紹了橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)處理的幾種方法，并對(duì)其中的數(shù)據(jù)跳躍法在處理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)存在的問(wèn)題進(jìn)行了修正。同時(shí)基于九江大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)首先選擇適當(dāng)?shù)念A(yù)處理方法，判別出數(shù)據(jù)中的異常值，剔除粗大誤差，其次采用數(shù)據(jù)平滑方法對(duì)噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過(guò)這些合理的數(shù)據(jù)預(yù)處理方法最終獲得對(duì)斜拉橋結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)評(píng)估起重要作用的有效數(shù)據(jù)。斜拉橋混凝土梁體的狀態(tài)評(píng)估?；诮】当O(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)混凝土斜拉橋梁體狀態(tài)評(píng)估方法進(jìn)行研究。首先對(duì)獲得的應(yīng)力及其相應(yīng)溫度的相關(guān)性進(jìn)行了分析，并選擇適當(dāng)?shù)幕鶞?zhǔn)值以獲得各個(gè)相對(duì)應(yīng)力值及相對(duì)溫度值，就其兩者之間的關(guān)系做了進(jìn)一步探討，其次通過(guò)最小二乘法得出溫度應(yīng)力趨勢(shì)方程，最后在剔除溫度趨勢(shì)的基礎(chǔ)上合理設(shè)定安全閾值，提出一種合理有效的斜拉橋混凝土梁體的狀態(tài)評(píng)估方法。斜拉橋拉索的狀態(tài)評(píng)估。對(duì)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的斜拉橋索力及其相應(yīng)的溫度參數(shù)求得其日平均值，并對(duì)兩者進(jìn)行了初步分析，同時(shí)在剔除長(zhǎng)期趨勢(shì)的基礎(chǔ)上對(duì)索力中潛在的溫度與索力負(fù)相關(guān)的規(guī)律進(jìn)行了挖掘。通過(guò)建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)在不同溫度下的索力指標(biāo)的變化情況，為索力在不同的溫度環(huán)境度分析方法進(jìn)行了研究，同時(shí)由于灰色關(guān)聯(lián)度對(duì)索力變化具有敏感性，于是通過(guò)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲得的大量數(shù)據(jù)求各測(cè)點(diǎn)年平均索力值方法的處理，很好的提供可靠的索力數(shù)據(jù)，從而保障拉索狀態(tài)評(píng)估結(jié)果的可靠性，并分別計(jì)算各自的關(guān)聯(lián)系數(shù)與關(guān)聯(lián)度，最后通過(guò)關(guān)聯(lián)度的排序比較實(shí)現(xiàn)對(duì)斜拉橋拉索狀態(tài)的評(píng)估。第二章橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析預(yù)處理概述2008年末，九江大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)始安裝并進(jìn)行了調(diào)試。系統(tǒng)于2009年開(kāi)始運(yùn)行以來(lái)，經(jīng)過(guò)完善的至今已正常運(yùn)行兩年多時(shí)間，該系統(tǒng)的建立可以獲得橋梁的安全信息，防止不必要的的發(fā)生。在該系統(tǒng)運(yùn)行期間產(chǎn)生了大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。本章首先對(duì)九江大橋的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)做詳細(xì)介紹，其次介紹橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)處理方法，最后在此基礎(chǔ)上對(duì)該系統(tǒng)產(chǎn)生的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)選用合理的方法進(jìn)行預(yù)處理。九江大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)介紹工程概由省公路勘察規(guī)劃設(shè)計(jì)院負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)，曾于1990年獲得國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)的九江大橋是一座獨(dú)塔、雙索面、預(yù)應(yīng)力混凝土梁體相結(jié)合的斜拉橋，如圖2.1所示。該橋位于省佛山市區(qū)九江鎮(zhèn)與鶴山市之間，珠江水系西干流，是325國(guó)道上一座規(guī)模巨大的現(xiàn)代橋梁，全長(zhǎng)1675.2米，采用塔、梁、墩固結(jié)體系，橋面凈寬16米，其中：主橋由獨(dú)塔斜拉橋和梁高2.5米的單箱四室結(jié)構(gòu)的連續(xù)混凝土箱梁構(gòu)成，其長(zhǎng)度分別為2×160米和21×50米，全長(zhǎng)1370米，引橋長(zhǎng)度為20×16米，塔高80米(自橋面起)橋梁設(shè)計(jì)荷載為汽-20，掛-100。斜拉橋的144根拉索設(shè)計(jì)強(qiáng)度為1600MPa，選用109-7、91-7、85-7mm三種規(guī)格的平行鋼絲材料，其中的PE保護(hù)層選用加入了碳黑防光、熱老化且設(shè)計(jì)為30年的低密度聚乙烯材料，兩端的錨具選用冷鑄鐓頭錨。九江大橋于1985928日開(kāi)建，1988621日正式建成并投入運(yùn)營(yíng)，通車兩年后，該橋達(dá)到了16cm的最大下?lián)隙?，為了降低撓度，?duì)橋梁進(jìn)行了一次調(diào)索，減少了13cm的下?lián)隙取Ｍ瑫r(shí)對(duì)橋梁也重新鋪設(shè)了厚約3cm、約320t重的瀝青混凝土。由于采用的是現(xiàn)場(chǎng)制索的拉索施工工藝，導(dǎo)致索體性的損傷，同時(shí)拉索施不完善等，這些因素嚴(yán)重降低了拉索的抗蝕能力。故在1997年采用牽引行車掛籃方式對(duì)九江大橋進(jìn)行詳細(xì)檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn):總索力增加，兩端錨頭有嚴(yán)重的銹蝕情況，拉索的鋼絲也發(fā)生斷絲現(xiàn)象，最大的斷絲量高達(dá)1/3，乙烯保護(hù)層也發(fā)生嚴(yán)重剝落狀況，部分有水流出，其破損程度也近70%。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果于19982000年先后兩次對(duì)銹蝕嚴(yán)重的拉索采取更換措施，第一次更換了其中的87大橋運(yùn)營(yíng)至2007年6月15日，發(fā)生了中外的“九江大橋事件”，事故由撞擊橋墩的船引起，直接導(dǎo)致200米的橋面坍塌和9人的悲慘局面。給國(guó)家造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，給人民的交通帶來(lái)了諸多不便，嚴(yán)重影響業(yè)的發(fā)展，同時(shí)也給遇難者家屬留下了難以磨滅的痛苦回憶。為了有效避免再次發(fā)生此類事故，同時(shí)對(duì)服役時(shí)間較長(zhǎng)的九江大橋的健康狀況全面掌握，2008年末在修復(fù)通車后的主跨斜拉橋上建立了健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。2.1九江大橋斜拉橋圖Fig2.1Jiujiangcable-stayed監(jiān)測(cè)項(xiàng)九江大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)根據(jù)其橋梁的特點(diǎn)，對(duì)關(guān)系橋梁安全性、耐久性、適用性的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)以及環(huán)境參數(shù)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，包括最容易出現(xiàn)狀況的斜拉索的索力以及一旦發(fā)生很大的損失就會(huì)造成更大危害的梁體的應(yīng)力狀況，另外還有不容忽視的溫度和濕度參數(shù)。應(yīng)力的監(jiān)測(cè)監(jiān)測(cè)的目的：①實(shí)時(shí)了解橋梁梁體的實(shí)際工作應(yīng)力狀態(tài)；②為監(jiān)測(cè)獲得的各參數(shù)之間的相關(guān)性分析提供信息。監(jiān)測(cè)的方法：本橋采用振弦式應(yīng)變計(jì)對(duì)斜拉橋主梁6個(gè)截面的應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)系統(tǒng)獲得相應(yīng)位置的應(yīng)力值，采樣頻率為每20Min一次。斜拉索索力的監(jiān)測(cè)監(jiān)測(cè)的目的:①為拉索的狀態(tài)評(píng)估提供基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)信息；②為橋梁各參數(shù)之間的分析提供依據(jù)。監(jiān)測(cè)的方法:采用穿心式壓力傳感器對(duì)其中的36根拉索的索力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采樣頻率為每20Min對(duì)索力一次。溫、濕度的監(jiān)測(cè)監(jiān)測(cè)的目的：①獲得溫、濕度對(duì)橋梁其他參數(shù)影響的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)②獲得環(huán)境溫、濕度對(duì)橋梁的健康狀況影響信息。監(jiān)測(cè)的方法：采用溫濕度傳感器對(duì)環(huán)境溫、濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。采樣頻率為每20Min對(duì)溫、濕度一次。健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成九江大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由各類傳感器模塊、信息與數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)解析與控制模塊和監(jiān)測(cè)軟件模塊構(gòu)成。各類傳感器系統(tǒng)模塊九江大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)114根拉索中合理選擇其中的36力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并選取主梁的6性的截面，每個(gè)截面確定5個(gè)測(cè)點(diǎn)，對(duì)各典型測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，另外還對(duì)主跨各1/2處的環(huán)境溫、濕度進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。各個(gè)測(cè)點(diǎn)根據(jù)其監(jiān)測(cè)項(xiàng)目類型的不同選擇了不同的傳感器，其中索力傳感器有36個(gè)，梁體的應(yīng)變計(jì)有30個(gè)，溫、濕度計(jì)有2個(gè)，全橋共布置68個(gè)傳感器。各個(gè)傳感器的整體布局如圖2.2所示。圖2.2九江大橋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器布置圖Fig.2.2Thesensorarrangementofjiujiangbridgemonitoring各類傳感器型號(hào)與具體布置情況如下：應(yīng)變傳感器的布置主梁采用粘貼式振弦應(yīng)變計(jì)（2.3所示）測(cè)量橋軸向應(yīng)變，該應(yīng)變計(jì)可以監(jiān)測(cè)應(yīng)變和溫度，應(yīng)變和溫度的測(cè)量精度分別為2.0%FSR和±0.5℃，應(yīng)變計(jì)的布置沿橋軸向共布置6個(gè)截面（2.2所示5個(gè)應(yīng)變計(jì)，系統(tǒng)共安裝30個(gè)應(yīng)變計(jì)。2.3應(yīng)變傳感器圖Fig.2.3Strain其中橫截面的編號(hào)是從九江側(cè)開(kāi)始為應(yīng)變截面1，依次到湛江側(cè)最后一個(gè)截面的編號(hào)為應(yīng)變截面6，各個(gè)截面的編號(hào)以九江側(cè)為正面，從左側(cè)到右側(cè)依次編號(hào)為JM(n)-1JM(n)-5，其中n16。各個(gè)截面應(yīng)變計(jì)橫向布置情況如圖2.4圖2.4橫截面應(yīng)變計(jì)布置圖Fig.2.4Thestrainsensorarrangementofcross索力傳感器的布置為了滿足索力監(jiān)測(cè)的需要，系統(tǒng)共布置穿心式索力傳感器（如圖2.5所示）36時(shí)可以對(duì)索力和溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，均安裝于索塔側(cè)張拉端，其安裝位置的示意圖如2.6所示。2.5索力傳感器圖Fig.2.5Cabletension索力傳索力傳拉索索拉索螺錨墊2.6索力傳感器安裝部位示意圖Fig2.6LayoutofCableforcesensor其中36個(gè)傳感器分別布置在錨墊板與拉索錨固螺帽之間的橋塔位置，H型橋塔的四個(gè)面，每個(gè)面分別布置9個(gè)傳感器。測(cè)點(diǎn)的編號(hào)取九江側(cè)、湛江側(cè)的首J、Z為編號(hào)第一部分，然后以九江側(cè)為正面，從右到左A、B、C、D四個(gè)索面號(hào)為編號(hào)第二部分，從靠近橋塔位置開(kāi)始對(duì)拉索編號(hào)為1到18為測(cè)點(diǎn)編號(hào)第三部分。各索力傳感器的布置位置示意圖如2.72.7索力傳感器布置圖Fig2.7Cableforcesensor溫、濕度計(jì)的布置系統(tǒng)對(duì)環(huán)境溫、濕度的監(jiān)測(cè)選用濕度精度為±3%，溫度精度為±0.3℃的溫、濕度計(jì)（2.8所示。由于穿心式索力傳感器和振弦式應(yīng)變傳感器都同時(shí)具備溫度的功能，因此本橋選取主梁底部?jī)蓚€(gè)關(guān)鍵性的位置分別設(shè)置了一個(gè)溫、濕度計(jì)，其具置布置圖如圖2.2所示。2.8溫、濕度傳感器Fig.2.8Temperatureandhumidity信息采集與數(shù)據(jù)傳輸模塊九江大橋健康監(jiān)測(cè)的信息與數(shù)據(jù)傳輸模塊采用自動(dòng)化集成式模式實(shí)現(xiàn)。為此選用JMZX-256型集成式自動(dòng)化綜合測(cè)試系統(tǒng)（2.9所示有傳器的測(cè)量信息均通過(guò)綜合模塊進(jìn)行調(diào)理和。該系統(tǒng)強(qiáng)大的傳輸方式，全橋共布置此類自動(dòng)化綜合模塊10個(gè)，其中包括16通道和32通道模塊。各綜合模塊之間通訊采用先進(jìn)的485總線設(shè)計(jì)方式進(jìn)行有線連接，依此方便有效的實(shí)現(xiàn)本地連接。具體為將各個(gè)傳感器通過(guò)線路與模塊的各個(gè)通道相連，其中梁體1至3截面的應(yīng)變傳感器通過(guò)布置在1-3截面編號(hào)為的模塊連接，4至6截面的應(yīng)變傳感器通過(guò)布置在4-6截面編號(hào)為的模塊連接，布置在梁體底部的溫、濕度傳感器的信號(hào)也由這兩個(gè)模塊獲得。索力傳感器的數(shù)據(jù)信號(hào)則通過(guò)布置在湛江側(cè)4個(gè)和九江側(cè)的個(gè)，共8個(gè)模塊的各通道連接各個(gè)模塊所收集的全部信息則是通過(guò)設(shè)置在主塔頂部的GPRS發(fā)射模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線發(fā)射，通過(guò)該模塊將全部數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)椒痖_(kāi)公司的總控制中心，為實(shí)現(xiàn)下一步的健康做了基礎(chǔ)準(zhǔn)備。同時(shí)該系統(tǒng)選用的是全方位密封的裝置，該設(shè)備的優(yōu)勢(shì)是可以有效的防止雨水的侵蝕，對(duì)潮濕的運(yùn)行環(huán)境也有一定的適應(yīng)能力，同時(shí)很好的防雷擊措施可以保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。2.9自動(dòng)化綜合測(cè)試系統(tǒng)Fig.2.9Automatedintegratedtest數(shù)據(jù)解析與控制模塊通過(guò)無(wú)線傳輸系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)信息必須通過(guò)數(shù)據(jù)解析與控制模塊的處理才可以變?yōu)橛杏眯畔ⅰＴ撃K能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的、可視化、及查詢，通過(guò)與互聯(lián)網(wǎng)的，對(duì)數(shù)據(jù)采取自動(dòng)與刪除處理，同時(shí)選用用戶界面形式控制數(shù)據(jù)的與傳輸。該模塊可確定和提取反映結(jié)構(gòu)狀態(tài)的特征參數(shù)，結(jié)構(gòu)狀態(tài)特征參數(shù)是指能夠反映結(jié)構(gòu)特征的物理量，比如：應(yīng)力，索力等，而傳感器系統(tǒng)所獲得是傳感器的讀數(shù)，這些讀數(shù)一般反映的是電信號(hào)。通過(guò)該模塊參數(shù)的設(shè)置實(shí)現(xiàn)傳感器獲得的電信號(hào)向結(jié)構(gòu)特征參數(shù)轉(zhuǎn)換。其中數(shù)據(jù)解析模塊還可將轉(zhuǎn)化后的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分類，完成數(shù)據(jù)庫(kù)的管理，以方便客戶端的查詢?？刂颇K根據(jù)方案的需求，通過(guò)觸發(fā)參數(shù)的設(shè)置，驅(qū)動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)信息，該過(guò)程完全可按照用戶自己的要求實(shí)時(shí)設(shè)置，隨時(shí)獲得對(duì)具體測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件模塊九江大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件模塊是該系統(tǒng)的上位機(jī)軟件，該軟件可對(duì)監(jiān)測(cè)的各項(xiàng)內(nèi)容進(jìn)行實(shí)時(shí)操作，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互、方便快捷的可視化處理界面。由于ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)的支持，軟件具有數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)、查詢、分析管理的強(qiáng)大功能，同時(shí)可完成報(bào)表、圖表的輸出。該模塊能最大限度地滿足用戶對(duì)軟件高效、便捷的使用要求。軟件主界面如圖2.10所示。2.10九江大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件界面Fig.2.10JiujiangBridgehealthmonitoringsystemsoftmain由九江大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件界面可知，該軟件主要包括自動(dòng)、數(shù)據(jù)自動(dòng)自動(dòng)單元（界面如圖2.11所示）主要實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)點(diǎn)傳感器數(shù)據(jù)的自動(dòng)、實(shí)時(shí)功能，同時(shí)將顯示在表格中的測(cè)量或的數(shù)據(jù)保存進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)，也可將表格中的數(shù)據(jù)導(dǎo)出到EXCEL表格中，其中的補(bǔ)讀數(shù)據(jù)功能是相對(duì)于自動(dòng)測(cè)量功能來(lái)說(shuō)，當(dāng)由于網(wǎng)絡(luò)等原因?qū)е略谧詣?dòng)測(cè)量時(shí)某些模塊的數(shù)據(jù)沒(méi)有測(cè)量到，用補(bǔ)讀數(shù)據(jù)功能可以將這些漏讀的數(shù)據(jù)補(bǔ)讀回來(lái)。補(bǔ)讀的數(shù)據(jù)將自動(dòng)保存進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)。該單元也可顯示九江大橋測(cè)點(diǎn)的二維圖、全橋的三維圖及測(cè)點(diǎn)布置圖等。并通過(guò)灰、綠、紅三種顏色來(lái)直觀顯示測(cè)點(diǎn)的狀態(tài)?；疑簺](méi)有此測(cè)點(diǎn)或沒(méi)有設(shè)置自動(dòng)測(cè)量。綠色：測(cè)點(diǎn)已設(shè)置自動(dòng)測(cè)量，且測(cè)點(diǎn)正常。紅色：點(diǎn)異常。圖2.11自動(dòng)界Fig.2.11Automaticacquisition數(shù)據(jù)管理數(shù)據(jù)管理（界面如圖2.12所示）單元主要完成以下任務(wù)：備份數(shù)據(jù)庫(kù)、越限分析、導(dǎo)出正常值、導(dǎo)出異常值、導(dǎo)出實(shí)時(shí)值、查詢正常值、查詢異常值、查詢實(shí)時(shí)值、編輯公式、查詢公式、物理量換算、人工錄入、測(cè)點(diǎn)集等。2.12數(shù)據(jù)管理界面Fig.2.12Datamanagement數(shù)據(jù)報(bào)表數(shù)據(jù)報(bào)表（2.13所示）單元主要為各種儀器類型通過(guò)參數(shù)信息的設(shè)置生成不同形式的報(bào)表，設(shè)置好的報(bào)表可實(shí)現(xiàn)打印。2.13數(shù)據(jù)報(bào)表界面Fig.2.13Datareport圖形顯示圖形顯示（界面如圖2.14所示）單元主要顯示各測(cè)點(diǎn)測(cè)量值在日期上的過(guò)程曲線，某一時(shí)刻的測(cè)量值在各測(cè)點(diǎn)上的分布曲線以及一個(gè)測(cè)點(diǎn)在一段時(shí)間內(nèi)不同溫度對(duì)應(yīng)的測(cè)量值曲線。系統(tǒng)管理系統(tǒng)管理（界面如圖2.15所示單元是設(shè)置整個(gè)系統(tǒng),使整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行,功能包括用戶設(shè)置與管理、模塊設(shè)置、測(cè)點(diǎn)設(shè)置。系統(tǒng)介紹該單元詳細(xì)介紹九江大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為PDF格式，需安裝PDF閱讀器才能打開(kāi)，否則報(bào)錯(cuò)。2.14圖形顯示界面Fig.2.14Graphicaldisplay2.15系統(tǒng)介紹界面Fig.2.15Systemintroduced健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)處理九江大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自2008年末調(diào)試，2009年中期正式投入使用，經(jīng)過(guò)完善的至今已正常運(yùn)行兩年多時(shí)間。安裝于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上的68個(gè)傳感器每20分鐘自動(dòng)對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行一次，由此產(chǎn)生了海量的數(shù)據(jù)，這些巨大規(guī)模的數(shù)據(jù)對(duì)橋梁狀態(tài)的評(píng)估，以及據(jù)此對(duì)橋梁采取合理、有效、及時(shí)的維修加固措施起到關(guān)鍵性的作用。但是在數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)自動(dòng)過(guò)程中難免有出現(xiàn)異常的粗大誤差數(shù)據(jù)以及由外界因素干擾而產(chǎn)生的噪聲數(shù)據(jù)等，如果把這些數(shù)據(jù)也錄入到數(shù)據(jù)庫(kù)中，首先對(duì)橋梁狀態(tài)的評(píng)估毫無(wú)價(jià)值，其次還可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的加固維修方案的實(shí)施，造成不必要的巨大經(jīng)濟(jì)損失，最后隨著時(shí)間的累計(jì)加長(zhǎng)，必然占據(jù)龐大的空間，還會(huì)造成數(shù)據(jù)庫(kù)運(yùn)行效率大大降低，無(wú)法發(fā)揮數(shù)據(jù)信息提高評(píng)估效率的優(yōu)越性，因此需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。數(shù)據(jù)預(yù)處理方法針對(duì)斜拉橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)中存在的粗大誤差數(shù)據(jù)和噪聲數(shù)據(jù)，本文將分別詳細(xì)介紹橋梁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中粗大誤差數(shù)據(jù)的預(yù)處理方法以及噪聲數(shù)據(jù)的平滑處理方法。粗大誤差數(shù)據(jù)的處理方法粗大誤差剔除的處理方法有拉依達(dá)法則[72]、肖維勒準(zhǔn)則[73]、布斯準(zhǔn)74、狄克遜準(zhǔn)則75、以及數(shù)據(jù)跳躍法76等。拉依達(dá)準(zhǔn)則根據(jù)統(tǒng)計(jì)理論，在任意的有限的多次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)列中，監(jiān)測(cè)值的算術(shù)偏差界于3,3間的概率為：

（2-因此算術(shù)偏差超3,3的概率為1-0.9973=0.27%，這種概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)不要1的事件，根據(jù)實(shí)際判斷原理是不可能發(fā)生的事件，可以確定一定不是偶然誤差，則有充足的理由判斷其為異常值。在一組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)列Zi（i=1,2，…n）中，該數(shù)列的平均值為Z,殘差為Vi，用殘差表示的標(biāo)準(zhǔn)誤差為，若某監(jiān)測(cè)數(shù)值

1jn）Vj滿足以下公式Vj （2-Zj被認(rèn)為是監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)列中的粗大誤差，應(yīng)該予以剔除。這就是實(shí)用的拉依達(dá)法則，也稱為3準(zhǔn)則。該法則也可描述監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)列Zi（i=1,2，…n）的特征為如下：dj2Zj

Z

(j=2,3,…n- （2-n-2dj計(jì)算監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的平均值d，其計(jì)算公式為（2-4）（2-5）

n1ddj2n

（2-jn1jn1jdndj最后按照公式（2-6）計(jì)算算術(shù)偏差的絕對(duì)值與均方差djQj （2-Qj就可簡(jiǎn)便的判斷監(jiān)測(cè)數(shù)列Zi（i=1,2，…n）中的粗大誤差，如果Qj>3，則可判斷Zj為數(shù)列中的粗大誤差，應(yīng)該予以剔除。在一組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)列中，可能不止一個(gè)粗大誤差，所以每剔除一個(gè)數(shù)列中的粗大粗差之后，要再求剔除粗差誤差之后數(shù)列的均方差，然后再判斷其值是否滿足拉依達(dá)法則，若不滿足則應(yīng)該將該監(jiān)測(cè)值剔除，如此反復(fù)計(jì)算和剔除直到監(jiān)測(cè)數(shù)列中無(wú)粗大誤差存在為止。拉依達(dá)準(zhǔn)則剔除監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)列中的粗大誤差有很多優(yōu)勢(shì)，其中最大優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)用該準(zhǔn)則無(wú)需查表，可以通過(guò)直接計(jì)算就能方便的剔除數(shù)列中的粗大誤差。但是該準(zhǔn)則只使用于大樣本的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)列，對(duì)于小樣本的粗大誤差的判斷則會(huì)失效，這是因?yàn)楫?dāng)n10時(shí)有：nV2 nnV2nV2 nnV2 10nV2

（2-由上面的表達(dá)式可知，當(dāng)n≤10時(shí)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)列中任何一個(gè)監(jiān)測(cè)值所引起的偏差Vi都能滿足拉依達(dá)準(zhǔn)則，而不可能將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)列中的粗大誤差剔除，因此拉依達(dá)準(zhǔn)則適用于監(jiān)測(cè)數(shù)列至少大于10的樣本，尤其有利于大樣本數(shù)據(jù)列的粗差肖維勒準(zhǔn)則在監(jiān)測(cè)中，大誤差出現(xiàn)的概率是很小的，則認(rèn)為誤差若以1/n的概率超出某一范圍可視為正常，也就是含有粗大誤差的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)該以小于1/n的概率出現(xiàn)。肖維勒提出了這個(gè)最小的程度界限，他認(rèn)為：在n次監(jiān)測(cè)中，誤差可能出現(xiàn)的次數(shù)小于1/2次，既出現(xiàn)的頻率為1/2n時(shí)，則該值為粗大誤差，應(yīng)將其從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)列中剔除。則在一組n次的監(jiān)測(cè)數(shù)列Zi（i=1,2，…n）中，設(shè)不出現(xiàn)殘差Vi的絕對(duì)值大wn的誤差，則其概率PViwn的值應(yīng)該非常小，設(shè)MViwn誤差nPVwM （2- 即 MnPVw （2- inM是正整數(shù)，這就要求nPVw在湊整之后趨于零，所以只有一種in

nPVw （2-

w

（2-由正態(tài)分布方程，有

ii

nwn

1

wne22 1 （2-11

ne 0，通過(guò)上式的監(jiān)測(cè)次數(shù)n與肖維勒系數(shù)w的關(guān)系，可計(jì)算w的值 如表2.12.1.肖維勒系數(shù)wnTable2.1Chauvenetnnn3456789在實(shí)際操作中，通過(guò)監(jiān)測(cè)的次數(shù)n查上表和計(jì)算均方差、和殘差Vi采用（2-13）nZZ2i nnZZ2i nn2 n其中ViZiZ(Z為平均值)， 由表格可知，肖維勒系數(shù)隨著n的增加而增大，當(dāng)監(jiān)測(cè)的次數(shù)很小的時(shí)候，肖維勒系數(shù)的值也相對(duì)減小，該準(zhǔn)則可以實(shí)現(xiàn)拉依達(dá)準(zhǔn)則不可行的n小于10的監(jiān)測(cè)數(shù)列粗大誤差的剔除，但是由于相關(guān)理論還不是很完善，因此當(dāng)n趨于很大時(shí)，布斯準(zhǔn)則布斯準(zhǔn)則和肖維勒準(zhǔn)則有很多相似的地方，他們的不同在于布斯準(zhǔn)則中的置信系數(shù)的確定是通過(guò)監(jiān)測(cè)的次數(shù)n和顯著性水平兩個(gè)元素的參與完成的。將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的殘差Vi超過(guò)置信區(qū)間的可能性稱作顯著性水平，也即為犯判斷錯(cuò)誤的概率，其值一般取0.01和0.05。對(duì)于一組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)列Zi（i=1,2，…n），將該數(shù)列按照從大到小的順序排序?yàn)樾聰?shù)列Z

Z(1)，Z(2)，…,Z(n-Z1nni1

(2-11nZZ2ni計(jì)算GnZn

（2-（2-根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的工程實(shí)際的需要，合理選擇顯著性水平，通過(guò)監(jiān)測(cè)次數(shù)n以及選擇的顯著性水平查詢 布斯準(zhǔn)則的各個(gè)臨界值i，n）（如表2.2所示），通過(guò)公式（2-18）的布斯準(zhǔn)則判斷標(biāo)準(zhǔn)識(shí)別監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)列中的粗大誤差。GiGi, （2-即若1、Gn大于Gi,n則認(rèn)為該值為粗大誤予以剔除。其中和Gi,n的關(guān)系可表示為：ZnZG,n (2- 表 布斯準(zhǔn)則臨界值Gi,Grubbs Gi,nn345678表 布斯準(zhǔn)則臨界值Gi,n（續(xù)Table2.2standardGi,n（nn9布斯準(zhǔn)則由于考慮了失效概率，是一種較好的識(shí)別監(jiān)測(cè)數(shù)列中粗差的判斷準(zhǔn)則，但是較適用于樣本量較小的情況。狄克遜準(zhǔn)則狄克遜提出一種根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)大小排序后的順序差來(lái)判斷監(jiān)測(cè)數(shù)列中的粗大誤差的方法，采用這種極差比的方法避免了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)列的算術(shù)平均值、殘差和標(biāo)準(zhǔn)差的反復(fù)計(jì)算。對(duì)于一組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)列Zi（i=1,2，…n）將該數(shù)列按照從大到小的順序排序?yàn)樾聰?shù)列Z(1)，Z(2)，…,Z(n-根據(jù)監(jiān)測(cè)次數(shù)的不同計(jì)算該數(shù)據(jù)列的統(tǒng)計(jì)量ij，狄克遜認(rèn)為，n710效果好，8n101111n1321n時(shí)，使用22效果好計(jì)算公式可查詢表2.3當(dāng)確定顯著性水平和監(jiān)測(cè)次數(shù)后，即可查表獲得臨界值，當(dāng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)ij大于所得的臨界值i,n時(shí)，則可判斷監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Zn或者Z1有粗大誤差存在。即有公式（2-20）。iji, （2-2.3狄克遜準(zhǔn)則臨界值iTable2.3Dixonstandardcritical

i,

Z(n)Z統(tǒng)計(jì)統(tǒng)計(jì) 310=Z(n)Z(n 5711=Z(n)Z(n 9（11=Z(1)Z(2) =Z(n)Z(n Z(n)Z （=Z(1)Z(3) ）21Z(1)Z(n- =Z(n)Z(n （=Z(1)Z(3) ）Z(1)ZZ(n)ZZ(1)Z(n- Z(n)Z21Z(1)Z(n-一般根據(jù)工程監(jiān)測(cè)需要合理選擇顯著水平顯著水平通常取值為0.050.01，按照公式（2-20）判別數(shù)據(jù)中的粗大誤差，以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)列中粗大誤差的剔除。該準(zhǔn)則的優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)用方便，可用于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)列中多個(gè)粗大誤差數(shù)據(jù)的剔除，但是如果計(jì)量次數(shù)少時(shí)，出錯(cuò)的可能性加大。狄克遜準(zhǔn)則對(duì)于監(jiān)測(cè)數(shù)列中的粗大誤差每次只能剔除一個(gè)，然后對(duì)剔除后的數(shù)據(jù)列重新計(jì)算，做第二次判斷，是否有粗差存在，如果有，再剔除，再計(jì)算，直至全部的粗大誤差被全部剔除，該準(zhǔn)則不允許一次計(jì)算同時(shí)剔除監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)列中存在的多個(gè)粗大誤差。數(shù)據(jù)跳躍法拉依達(dá)法則的完善和擴(kuò)展。對(duì)于一組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)列Zi（i=1,2，…nn+1），將該數(shù)列按照從小到大的順序排序?yàn)樾聰?shù)列Z(1)，Z(2)，…,Z(n-1),Z(n)，假設(shè)Z(n)，Z(n+1)為這組監(jiān)測(cè)數(shù)列中的粗大誤差，按照拉依達(dá)準(zhǔn)則剔除這兩個(gè)粗大誤差，通過(guò)證明可知必須滿足公式（2-21）（Z為監(jiān)測(cè)數(shù)列的算術(shù)平ViZiZVnZnZ）才能剔除監(jiān)測(cè)數(shù)列中的粗大誤差Z(n+1)。如果不滿9V2n18V (2-數(shù)據(jù)跳躍法對(duì)拉依達(dá)法則進(jìn)行改良，首先將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Zi（=1,2，…n，n+）按照從小到大的順序排列為新數(shù)列，Z(1)Z(2)，…,Z(n-1),Z(n)Z(n+1)，其次將相鄰兩個(gè)數(shù)據(jù)做差找出新數(shù)據(jù)列的跳躍點(diǎn)，也即是突變點(diǎn)，因?yàn)楹写执笳`差的監(jiān)測(cè)值一定分布在兩側(cè)，粗差存在的位置出現(xiàn)跳躍現(xiàn)象，第一次將首個(gè)跳躍點(diǎn)監(jiān)測(cè)值及其平緩的監(jiān)測(cè)值構(gòu)成一組數(shù)列，利用拉依達(dá)法判斷跳躍點(diǎn)是否為含有粗差的監(jiān)測(cè)值，如果它不是，可將跳躍點(diǎn)后的第一個(gè)監(jiān)測(cè)值和之前的監(jiān)測(cè)值重新組成一組數(shù)列，并利用拉依達(dá)法判斷該跳躍點(diǎn)是否為含有粗差的監(jiān)測(cè)值，如果不是，按照同樣方法繼續(xù)進(jìn)行下一步判斷直至發(fā)現(xiàn)這一側(cè)具有最大殘差的監(jiān)測(cè)值，則這一側(cè)的其他各觀測(cè)值均為含有粗差的觀測(cè)值，都應(yīng)被剔除。最終實(shí)現(xiàn)多個(gè)粗大誤差的剔除?？梢宰C明采用數(shù)據(jù)跳躍法剔除監(jiān)測(cè)數(shù)列中多個(gè)粗大誤差，無(wú)論排序后的新監(jiān)列中的多個(gè)粗大誤差出現(xiàn)在數(shù)據(jù)序列中的左側(cè)還是右側(cè)，只要監(jiān)測(cè)次數(shù)n大于12，都滿足以下式子（2-22。Zn1Znn213n21Zn1n29n1Zn2n

Zi

（2-由此可知，當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)列跳躍點(diǎn)的殘差較大一側(cè)的某個(gè)監(jiān)測(cè)值為粗大誤差時(shí)，則該值后的所有監(jiān)測(cè)值都可判斷為粗大誤差，可批量剔除。通過(guò)證明及分析發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)跳躍法實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)列中的多個(gè)粗大誤差的同時(shí)剔除。由于拉依達(dá)法則程序每運(yùn)行一次只能剔除一個(gè)粗差，當(dāng)有多個(gè)粗大誤差時(shí)會(huì)需要很長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間，使用數(shù)據(jù)跳躍法的批量處理的強(qiáng)大功能則很好的克服了這個(gè)困難，同時(shí)避免了拉依達(dá)準(zhǔn)則不滿足（2-21）時(shí)失效的局限性，使拉依達(dá)的使用范圍得到了擴(kuò)展。綜述監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)列中粗大誤差的剔除方法可知，拉依達(dá)法則及數(shù)據(jù)跳躍法適用于大量數(shù)據(jù)的粗差剔除處理分析，這兩種剔除方法的使用不需要查表，而肖維勒準(zhǔn)則、布斯準(zhǔn)則以及狄克遜準(zhǔn)則多用于小樣本的粗差分析，如橋梁健康監(jiān)測(cè)中監(jiān)測(cè)周期相對(duì)較長(zhǎng)而獲得的少量數(shù)據(jù)，根據(jù)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)量的大小及選擇的顯著性水平查表獲得臨界值進(jìn)行判斷。噪聲數(shù)據(jù)的平滑方法由健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的大量數(shù)據(jù)，基本都是所期望得到的真實(shí)值和外界各種干擾等噪聲一起的疊加數(shù)據(jù)，為了獲得真實(shí)值，采取一定的數(shù)據(jù)平滑方法有效消除噪聲，以方便對(duì)結(jié)構(gòu)的健康狀況得到更直接的了解。數(shù)據(jù)平滑的方法有：移動(dòng)平均法（Movingverage：采用移動(dòng)平均值進(jìn)行替換原始數(shù)據(jù)以達(dá)到消除噪聲的目的。當(dāng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)序列中有季節(jié)變動(dòng)的因素時(shí)，為了排除季節(jié)變動(dòng)的影響，移動(dòng)平均時(shí)距項(xiàng)數(shù)的選擇應(yīng)該和季節(jié)變動(dòng)長(zhǎng)度保持統(tǒng)一性；當(dāng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)序列中含有周期變動(dòng)的因素時(shí)，移動(dòng)平均時(shí)距項(xiàng)數(shù)應(yīng)該和周期長(zhǎng)度選擇統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，周期波動(dòng)才能較好的被消除。需要注意的是，在選擇移動(dòng)平均時(shí)距項(xiàng)數(shù)的時(shí)間，有奇數(shù)和偶數(shù)之分。當(dāng)該值為奇數(shù)時(shí)，中間移動(dòng)平均項(xiàng)數(shù)的獲得只需要做一次移動(dòng)平均的計(jì)算就可以實(shí)現(xiàn)，當(dāng)該值為偶數(shù)時(shí)，由于無(wú)法對(duì)正某一時(shí)期，中間移動(dòng)平均項(xiàng)數(shù)的獲得，則需要再進(jìn)行一次相臨兩項(xiàng)平均值的移動(dòng)平均，這才能使平均值對(duì)正某一時(shí)期。移動(dòng)平均時(shí)距項(xiàng)數(shù)選擇的合理與否，則直接影響著噪聲消除的結(jié)果。局部回歸散點(diǎn)平滑法（LocallyightdScatterplotSmoothing，LOWESS：局部散點(diǎn)平滑數(shù)據(jù)，采用線性最小二乘法和一階多項(xiàng)式擬合得到的數(shù)據(jù)替換原始數(shù)據(jù)的方法。平滑后曲線的光滑程度與所選取的局部數(shù)據(jù)比例有關(guān)，OESS方法具體可表述為：通過(guò)回歸估計(jì)的誤差來(lái)反復(fù)的計(jì)算由歐式距離比值的三次方定義的權(quán)重函數(shù)，直至獲得收斂后的權(quán)重，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)列中的各個(gè)點(diǎn)的平滑過(guò)程。該方法由于選取的是一階多項(xiàng)式來(lái)進(jìn)行擬合的，因此有一定的局限性。局部修正平滑數(shù)據(jù)法(LocallyWeightedScatterplotSmoothing，LOESS)，采用線性最小二乘法和二階多項(xiàng)式擬合得到的數(shù)據(jù)替換原始數(shù)據(jù)的方法。該方法與局部回歸散點(diǎn)平滑法類似，都適用于局部數(shù)據(jù)平滑，區(qū)別在于曲線擬合階次不同。利用LOESS方法進(jìn)行數(shù)據(jù)平滑處理的重點(diǎn)參數(shù)在于窗口寬度的選擇，窗口寬度過(guò)大將使得光滑描點(diǎn)涵蓋的數(shù)據(jù)過(guò)多，降低信息對(duì)平滑值的影響，反之，過(guò)窄的窗口Savitaky-Golay平滑法（Savitzky-GolaySmoothingFilters：采用未的線性最小二乘法過(guò)濾數(shù)據(jù)，利用指定階數(shù)的多項(xiàng)式擬合得到的數(shù)據(jù)替換原有數(shù)據(jù)的方法。該方法可以有任意的步長(zhǎng)，應(yīng)用較方便靈活。如該方法中比較實(shí)用的五點(diǎn)二次平滑方法，該方法通過(guò)采用二次三項(xiàng)式擬合待平滑的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)左右兩側(cè)各兩個(gè)點(diǎn)，共五個(gè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)值，來(lái)確定平滑后取值。設(shè)有一組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)列Z0Z1,...Zi-2Zi-1ZiZi+1Zi+2Zm-2Zm-1Zi2in時(shí)，平滑